基于载波相位差分的GPS载体姿态测量系统算法研究

论文摘要

利用GPS载波相位进行载体姿态测量是近年来新发展起来的一项GPS应用技术,与传统的惯性导航姿态测量系统相比,不仅能够提供载体的位置、速度和姿态信息,而且具有信息不随时间发散的优点,是其他姿态测量系统无法比拟的,已经广泛应用于航路导航、精密着陆、自动驾驶等领域。本文针对GPS姿态测量系统的关键技术进行研究,对进一步拓展GPS技术的应用具有重要的实用意义。本文首先通过对载波相位测量技术和基线姿态信息解算技术的讨论,介绍了GPS载波相位测量及定位原理,包括载波相位测量的观测量、观测方程及其线性化、载波相位相对定位原理等,确定了姿态测量的方式；对影响系统测量精度的各类误差源进行了分析,为后续确定载体姿态解算算法奠定了基础；在利用GPS载波相位进行姿态测量时,要确定准确的基线向量,关键是要保证载波相位信息的准确性。快速准确的获得载波相位的初始整周模糊度,是获得高精度定位的关键因素,是GPS姿态测量的关键问题。本文对常用模糊度的解算方法进行对比分析,确定系统模糊度解算方案,进行详细论述并对算法的有效性进行仿真验证。周跳是GPS载波相位测量过程中特有的问题。如果能够探测出周跳在何时发生、在哪个载波发生以及周跳值的大小,就可以对周跳发生时刻及其后续每个观测历元的载波相位值进行改正,将其恢复为正确的计数。本文对常用的周跳探测与修复方法进行对比分析,在此基础上提出了一种基于拟合思想的周跳探测与修复方法,用以解决电离层残差法检测周跳时的多值性问题,对该算法的实用性与有效性进行验证；之后,本文对常用载体姿态测量算法进行对比分析,确定系统的姿态解算算法并进行仿真研究,验证算法的可行性。在GPS姿态测量过程中,由于需要解算的导航信息类型很多,对每种导航信息的解算都需要对相同文件信息的数据进行反复处理、计算,过程十分繁琐,同时,也需要有一个软件平台,能够将每种导航信息的解算和相应的数据处理进行模块化处理。最后采用面向对象的MFC编程技术,对GPS姿态测量系统进行软件设计与实现,软件的设计为用户提供友好的界面,增强人机交互功能,能够对系统的关键算法进行仿真验证,提高系统的解算效率,为进一步对GPS姿态测量系统的研究提供了良好的仿真平台。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 各国卫星导航系统的发展状况
• 1.2.2 利用GPS进行姿态测量的国内外现状
• 1.3 本文的主要工作和内容安排
• 第2章 GPS载波相位姿态测量技术
• 2.1 GPS系统概述
• 2.1.1 GPS系统的特点
• 2.1.2 GPS系统的组成
• 2.2 GPS载波相位定位技术
• 2.2.1 载波相位测量的观测量
• 2.2.2 载波相位测量的观测方程
• 2.2.3 载波相位观测方程线性化
• 2.2.4 载波相位相对定位
• 2.3 GPS姿态测量原理
• 2.3.1 载体姿态角的定义
• 2.3.2 坐标系的定义及其转换关系
• 2.4 GPS的误差分析
• 2.4.1 与卫星有关的误差
• 2.4.2 与信号传播有关的误差
• 2.4.3 与接收机有关的误差
• 2.5 本章小结
• 第3章 整周模糊度的确定
• 3.1 整周模糊度确定方法介绍
• 3.2 KALMAN参数估计
• 3.2.1 卡尔曼滤波器的递推方程
• 3.2.2 卡尔曼滤波模型建立
• 3.3 LAMBDA算法
• 3.3.1 模糊度浮点解高斯变换去相关
• 3.3.2 整周模糊度搜索空间的确定
• 3.3.3 模糊度的固定解
• 3.4 算法仿真研究
• 3.5 本章小结
• 第4章 周跳的探测与修复
• 4.1 周跳的探测与修复
• 4.1.1 载波相位观测值的周跳
• 4.1.2 周跳产生的原因
• 4.1.3 周跳探测与修复的基本思想
• 4.2 周跳的探测与修复方法及仿真研究
• 4.2.1 多项式拟合法探测周跳
• 4.2.2 伪距/载波相位组合法
• 4.2.3 电离层残差法
• 4.2.4 基于拟合思想的周跳探测法
• 4.3 本章小结
• 第5章 姿态信息的解算
• 5.1 基于矢量观测的姿态解算
• 5.1.1 TRIAD算法
• 5.1.2 基于TRIAD算法的最小二乘法
• 5.2 基于最优估计的姿态算法
• 5.2.1 Euler-q算法
• 5.2.2 QUEST算法
• 5.3 欧拉角的直接法
• 5.4 算法仿真研究
• 5.4.1 姿态角取值情况仿真
• 5.4.2 基线长度对精度的影响
• 5.5 本章小结
• 第6章 系统的软件设计与实现
• 6.1 姿态测量系统的总体设计
• 6.1.1 系统的结构设计
• 6.1.2 系统的软件设计
• 6.2 系统设计的软件实现
• 6.2.1 软件界面的实现
• 6.2.2 系统的模块化实现
• 6.3 系统的仿真验证
• 6.3.1 精度因子仿真研究
• 6.3.2 周跳对基线姿态解算影响仿真研究
• 6.3.3 GPS定位方式仿真研究
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢